https://blog.csdn.net/frank_jb/article/details/45093615

本文给出IPv4与IPv6数据报格式示意图,并整理了各个字段含义,最后对比IPv4与IPv6数据报格式的区别。

一、IPv4数据报

图1 IPv4数据报格式

版本号(version)

不同的IP协议版本使用不同的数据报格式。

首部长度(HL, Internet Head Length)

确定IP数据报中数据部分实际从哪里开始,包含可变数量的选项。若IP数据报没有包含选项,则IP数据报首部长度为20字节。

服务类型(TOS, Type Of Service)

更好地服务不同类型IP数据报(如实时数据报IP电话应用、非实时通信流FTP),Cisco将TOS前3位标识不同服务等级,即优先级。

数据报长度(TL, Total Length)

IP数据报长度,即首部+数据。

分片:标识(identification)、标志(flags)、段位移(Fragment Offset)

这3个字段跟IP分片有关,当目的主机从同一个源收到一批数据报时,需要确定这些数据报是完整数据报还是分片后的数据报,数据报首部标识字段解决这个问题,检查数据报的标识号确定哪些数据报真正是同一个较大数据报的片;如何判断最后一个分片已收到,数据报首部标志字段解决这个问题,将最后一片的标志为0,其他标记为1;如何顺序重组这些片,这就需要记录每个片的在数据报有效净荷的偏移量,这也确定了片是否丢失。若丢失某些片,则丢弃这个不完整的数据报(不会交给传输层)。需要可靠传输怎么办呢,由传输层让源重传原始数据摄中的数据(如TCP)。

寿命(TTL, Time To Live)

每次数据报经过一台路由器时,该字段的值减1,若TTL字段减为0,则丢弃该数据报,从而确保数据报不会永远在网络循环。

上层协议(Protocol)

该字段用于指明IP数据报的数据部分应该交给哪个传输层协议(6为TCP、17为UDP)。

首部检查和(Header Checksum)

只是对IP首部进行检验,对整个TCP/UDP报文段检验交由TCP/UDP完成。将首部中的每两个字节当作一个数,用反码运算对这些数求和,该和按1补码值存放在检查和字段。当路由器收到IP数据报时,计算其首部检查和,与该字段值比较,若出错则丢弃该数据报。

注:因为TTL字段及选项字段可能改变,所以每个路由器上的检查和都须重新计算并存放在原处。(检查后,再更新)

源和目的IP地址(Source/Destination Address)

选项(Options)

选项字段允许IP首部被扩展,由此导致数据报首部长度可变,故不能预先确定数据字段从何开始,同时也使路由器处理一个IP数据报所需时间差异很大(有的要处理选项,有的不需要)。

数据(Data)

当使用TCP/UDP协议时,数据即为传输层报文段(TCP/UDP)。数据字段也可承载其他类型数据,如ICMP报文段。

二、IPv6数据报

图2 IPv6数据报格式

版本号(version)

不同的IP协议版本使用不同的数据报格式。

通信量等级(Traffic Classes)

使得源节点和路由器能够识别IPv6信息包的优先级。与IPv4服务类型TOS字段含义类似。

流标签(Flow Label)

标记那些需要IPv6路由器特殊处理(如一种非默认服务质量或实时服务)的信息包顺序。

有效负载长度(Payload Length)

定长40字节数据报首部后面的字节数量,包括扩展报头和负载数据,即数据报长度-40。

下一个首部(Next Header)

当IPv6没有扩展报头时,该字段的作用和IPv4的上层协议字段一样。当含有扩展报头时,该字段的值即为第一个扩展报头的类型。

跳限制(Hop Limit)

转发数据报的每台路由器对该字段的值减1,若减为0则丢弃该数据报。

源和目的IP地址(Source/Destination Address)

数据(Data)

当数据报到达目的地时,该有效载荷就从IP数据报移出,并交给下一个首部字段中指定的协议。

源和目的IP地址(Source/Destination Address)

选项(Options)

选项字段允许IP首部被扩展,由此导致数据报首部长度可变,故不能预先确定数据字段从何开始,同时也使路由器处理一个IP数据报所需时间差异很大(有的要处理选项,有的不需要)。

数据(Data)

当使用TCP/UDP协议时,数据即为传输层报文段(TCP/UDP)。数据字段也可承载其他类型数据,如ICMP报文段。

三、区别

3.1 首部长度

首部长度可变,IPv4首部的选项字段允许IP首部被扩展,由此导致数据报首部长度可变,故不能预先确定数据字段从何开始,同时也使路由器处理一个IP数据报所需时间差异很大(有的要处理选项,有的不需要)。基于此,IPv6采用固定40字节长度的报头长度(称基本报头)。IPv6如何实现IPv4选项字段类似的功能,答案是扩展报头,并由IPv6基本报头的下一个首部指向扩展报头(如果有的话)。路由器不处理扩展报头,提升了路由器处理效率。

3.2 分片/重组

IPv6,分片与重组只能在源与目的地上执行,不允许在中间路由器进行。分片与重组是个耗时的操作,将该功能从路由器转移到端系统,大大加快了网络中的IP转发速率。那,如果路由器收到IPv6数据报太大而不能转发到出链路上怎么办?该路由器丢弃该包,并向发送发发回一个"分组太大"的ICMP差错报文,于是发送发使用较小长度的IP数据报重发数据。

3.3 首部检查和

每个路由器上,IPv4首部检查和都需要重新计算,是一项耗时操作。加之,传输层和链接层协议执行了检验操作,网络传输可靠性提升,所以IPv6不进行首部检查和,从而更快速处理IP分组。

既然IPv6有如此之多优势,那么,接下来的问题,如何从IPv4向IPv6迁移?

参考资料:

[1] 《TCP/IP指南》

[2] 《计算机网络--自顶向下方法与Internet特色》[M].

[3] 基于6LoWPAN的IPv6无线传感器网络的研究与实现[D].上海交通大学.

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tcp ipv6 pcap 数据包

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IPv6数据报头部格式

https://blog.csdn.net/u011784495/article/details/71693296

文章摘自书籍《深入理解计算机网络 王达 机械工业出版社》 
IPv4数据报头格式请点击此处

IPv6数据报头部格式

RFC2460定义了IPv6数据报格式。总体结构上,IPv6数据报格式与IPv4数据报格式是一样的,也是由IP报头和数据(在IPv6中称为有效载荷)这两个部分组成的,但在IPv6数据报数据部分还可以包括0个或者多个IPv6扩展报头(Extension header), 如下图所示。IP报头部分固定为40字节长度,而有效载荷部分最长不得超过65535字节。

IPv6和IPv4之间的最大差别在于:IP地址的长度从32位到128位。 
通过裁剪IPv4报头中的某些字段,或把一些字段移入到扩展报头中,IPv6基本报头的总长度大大减小了。IPv6使用固定长度的基本报头,从而简化了转发设备对IPv6报文的处理,提高了转发效率。尽管IPv6地址长度是IPv4地址长度的4倍,但IPv6基本报头的长度只有40字节,为固定的IPv4报文头长度(不包括选项字段)的2倍。IPv5报头格式如下图所示。

 
图片来源:https://www.oschina.net/news/29748/from-ipv4-to-ipv6

各字段作用

版本(Version)

版本字段用来表示IP数据报使用的是IPv6协议封装,占4位,对应值为6(0110)。

通信分类(Traffic Class)

通信分类字段用来标识对应IPv6的通信流类别,或者说是优先级别,占8位,类似于IPv4中的ToS(服务类型)字段。

流标签(Flow Label)

流标签字段时IPv6数据报中新增的一个字段,占20位,可用来标记报文的数据流类型,以便在网络层区分不同的报文。流标签字段有源节点分配,通过流标签、源地址、目的地址三元组方式就可以唯一标识一条通信流,而不用像IPv4那样需要使用五元组方式(源地址、目的地址、源端口、目的端口和传输层协议号)。这样发动的最大好处有两点:一是流标签可以和任意的关联,需要标识不同类型的流(可以是非五元组)时,无需对流标签做改动;二是流标签在IPv6基本头中,使用IPSec时此域对转发路由器可见,因此转发路由器可以在使用IPv6报文IPSec的情况下仍然可以通过三元组(流标签、源地址、目的地址)针对特定的流进行QoS(质量服务)处理。

有效载荷长度(PayLoad Length)

有效载荷长度字段是以字节为单位的标识IPv6数据报中有效载荷部分(包括所有扩展报头部分)的总长度,也就是除了IPv6的基本报头以外的其他部分的总长度,占20位。

下一个头部(Next Header)

下一个头部字段用来标识当前报头(或者扩展报头)的下一个头部类型,占8位。每种扩展报头都有其对应的值。下一个头部字段内定义的扩展报头类型与IPv4中的协议字段值类似,但在IPv6数据报中,紧接着IPv6报头的可能不是上层协议头部(当没有扩展报头或者为最后一个扩展报头时才是上层协议头),而是IPv6扩展报头。这一机制下处理扩展报头更搞笑,因为标识了数据报中对应的上层协议或者扩展报头类型,转发路由器只需处理必须处理的扩展报头,提高了转发效率。

跳数限制(Hop Limit)

跳数限制于IPv4报文中的TTL字段类似,指定了报文可以有效转发的次数,占8位。报文每经过一个路由器结点,跳数值就减1,当此字段值减到0时,则直接丢弃该报文。

源地址(Source IP Address)

源IP地址字段标识了发送该IPv6报文源节点的IPv6地址,占128位。

目的IP地址(Destination IP Address)

目的IP地址字段标识了IPv6报文的接受节点的IPv6地址,占128位。

IPv6扩展报头

在各字段介绍中我们讲到了,IPv6报文中可以携带可选的IPv6扩展报头。IPv6扩展报头是跟在IPv6基本报头后面的可选报头。由于在IPv4的报头中包含了几乎所有的可选项,因此每个中间路由器都必须检查这些选项是否存在。在IPv6中,这些相关选项被统一移到了扩展报头中,这样中间路由器不必处理每一个可能出现的选项(仅有“逐跳选项”报头是必须要处理的),提高了处理器处理数据报文的速度,也提高了其转发的性能。 
IPv6扩展报头附加在IPv6报头目的IP地址字段后面,可以有0个,或者多个扩展报头。主要的IPv6扩展报头有一下几类:

逐跳选项头(Hop-by-hop Options Header)

本扩展报头类型值为0(在IPv6报头下一个头部字段中定义,下同)。此扩展报头须被转发路径所有节点处理。目前在路由告警(RSVP和MLDv1)与Jumbo帧处理中使用了逐跳选项头,因为路由告警需要通知到转发路径中所有结点,而Jumbo帧是长度超过65535字节的报文,传输这种报文需要转发路径中所有结点都能正常处理。

目的选项头(Destination Options Header)

本扩展报头类型值为60。只可能出现在两个位置: 
1. 路由头前,这是此选项头被目的节点和路由头中指定的结点处理; 
2. 上层头前(任何的ESP头后),此时只能被目的结点处理。 
移动IPv6中使用了目的选项头,称为家乡地址选项。家乡地址选项由目的选项头携带,用以移动结点离开“家乡”后通知接受节点此移动结点对应的家乡地址。接受节点收到带有家乡地址选项的报文后,会把家乡地址选项中的源地址(移动节点的家乡地址)和报文中源地址(移动节点的转交地址)交换,这样上层协议始终认为是在和移动节点的家乡地址通信,实现了移动漫游功能。

路由头(Routing Header)

本扩展报头类型值为43,用于源路由选项和移动IPv6。

分段头

本扩展报头类型值为44,用于标识数据报的分段,在IPv4中就有对应的字段。当源节点发送的报文超过传输链路MTU(源节点和目的节点之间传输路径的MTU)时,需要对报文进行分段时使用。

认证头

本扩展报头类型值为51,用于IPSec,提供报文验证,完整性检查。

封装安全有效载荷头

本扩展头类型值为50,用于IPSec,提供报文验证、完整性检查差和加密。

上层头

这是用来标识数据报中上层协议类型,如TCP、UDP、ICMP等。

注意:目的选项头最多出现两次,一次在路由头前,一次在上层协议头前,其他选项头最多只能出现一次。IPv6节点必须能够处理选项头(逐跳选项头除外,它固定只能紧随基本报头之后)在任意位置出现,以保证互通性。

总结

对比IPv4数据报头部格式可以看出,IPv6去除了IPv4报头中的头部长度、标识、标志、段偏移、校验和、选项、填充这么多字段,却只增加了流标签这一个字段,因此IPv6报头处理和IPv4报头处理相比大大简化,提高了处理效率。另外,IPv6为了更好地支持各种选项处理,提出了扩展头的概念,新增选项时不必修改现有的结构就能做到,理论上可以无限扩展,体现了优异的灵活性。

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